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制冷相机原理和用途

日期:2019-8-6

在使用荧光显微镜进行显微成像时常常会用到制冷相机(冷CCD),那么制冷相机是什么原因需要制冷?以及制冷有哪些方式呢?

首先,相机的制冷主要是针对芯片的制冷,为了让芯片工作时达到0℃以下,一般会在芯片电路板的背面加上一个有半导体材料制成的制冷片(由一个N型半导体和P型半导体联结而成的热电偶)。利用Peltier效应,当制冷片上加载直流电时,靠近芯片的一端会主动降温,将热能传递到另一端来散热。利用这个原理,可以将相机的芯片温度降低20-40℃甚至更高(取决于制冷片的热电偶级数和加载电流的大小)。

1) 芯片内部会存在一种随温度升高而升高的噪声成分——暗电流。作为一种本底噪声,暗电流会累积在像素中,最后被相机读出呈现在图像上。这类噪声来源是芯片制造工艺中的内部缺陷带来的,由于是异常产生的电子运动,所以温度越高粒子运动越剧烈,这类噪音发生的概率就越高,产生的实际效果就是暗电流越大。所以当相机在不制冷的状态下长时间工作一段时间,必然会因为其能耗产生的热效应造成芯片的暗电流上升,降低图像的信噪比。

2) 另外还有一个重要的因素会造成暗电流对图像的影响——曝光时间。由于暗电流会随时间积累在像素中,可想而知曝光时间越长,电荷积累的就越多。所以对于一些极弱光需要长时间曝光拍摄的应用,制冷就显得格外重要。常见的如EMCCD和深制冷的CCD都会用到多级半导体制冷甚至的液氮制冷,以达到-50℃以下的低温,这样极大程度上降低芯片的暗电流水平后,长时间曝光也可以安枕无忧了。

在拍摄荧光显微镜由于整个视场没有被荧光激发的情况下是全黑,并且如果荧光非常微弱的情况下,那么就需要长时间的曝光来获取暗处的图像,因此会产生很多的所谓暗电流,也就是噪点,会很影响图像的成像质量,所以通过制冷这种方式,降低图像的信噪比。

制冷的方式有两种:

1. 风冷装置由散热片和背后的风扇组成,金属散热片紧贴热端将热量导出并增大与空气的热交换面积,同时风扇工作,将外部空气吸入散热片进行热交换,并将交换后的热空气通过出风口排出。

2. 水冷则需要借助外部的水循环机来实现。相机内部的热端表面和散热片内设计了冷却管道,通过机身表面的两个冷却水进出口连接外部水循环机来实现以冷却水为介质的热交换。

综上所诉,制冷相机用作荧光显微镜作为荧光显微镜成像系统的时候能够有效的减少长时间曝光的产生的噪点,是非常适合荧光显微镜进行观察和图像拍摄的。